LCU在深圳地铁9号线车辆中的应用

乐建锐， 李恒瑞， 王 莉

(深圳通业科技股份有限公司， 广东深圳 518110)

继电器在轨道交通中发挥重要作用。继电器在列车中的数量庞大，单列车最多可达300个以上。继电器在轨道交通中主要作用是逻辑控制和信号传递，比如：列车激活、司机室占有、牵引控制等控制回路。由继电器引发的故障导致列车晚点、清客以及救援事件屡见不鲜。因此，继电器的可靠性直接关系到整车的运行[1-3]。

LCU是专门为轨道交通环境下应用设计的数字逻辑控制装置。相对于传统继电器，LCU采用无触点式可编程控制技术，从根本上解决继电器卡滞、抖动、接触不良、延迟响应等缺陷。此外，热备冗余技术的应用，有效提升LCU在地铁列车控制电路的整体可靠性。深圳地铁9号线作为LCU示范性应用的首条线路。目前LCU在深圳9号线尚处于研究和验证阶段。这对于LCU在后期的推广应用具有重要参考意义。

1 LCU简介

(1)方案介绍

LCU(Logic Control Unit, 逻辑控制单元)采用热备冗余模块设计，主要有电源模块、IO模块、主控制器和网络控制器构成。LCU在整车中，负责采集司机控制器、按键开关、隔离开关、接触器辅助触点等110 V的信号，经过逻辑运算后，输出驱动车辆各类负载，完成指定的时序控制功能。

LCU装置在软件上结合德国科维公司PLC内核，并且依托该公司eCLR平台作为应用软件开发平台，实现列车控制逻辑的二次开发及图形化编程。此外，LCU系统具备故障自诊断、故障定位以及切换、日志记录以及离线数据分析等功能[4]。LCU具备功能特点如表格1所示。

表1 LCU功能特点

(2)系统架构设计

LCU基本单元由主控板、输入输出板、MVB板、以太网板及电源板、接口板组成。LCU的A、B组为两套硬件完全一致的主控板、输入输出板、电源板，内部网络通信采用冗余设计。图1为LCU系统设计示意图。LCU装置中，电源模块提供5 V工作电源以及独立的通信隔离电源，输入、输出板实现输入采集以及输出控制。每台LCU各个功能插件板的面板带有LED灯，指示当前工作状态、通道状态和故障状态。

图1 LCU系统设计示意图

(3)机械结构介绍

目前LCU具备两种规格的设备：规格1采用标准6U机箱尺寸值进行设计。整机尺寸如图1所示：(435.86×215×265.2) mm(长×宽×高)。规格2采用标准3U机箱尺寸值进行设计。整机尺寸：(354.57×215×132.60) mm(长×宽×高)。

图2 6U和3U机箱结构图

2 深圳地铁9号线LCU应用方案

2.1 系统结构

深圳地铁9号线列车是6节编组列车，整个LCU系统采用分布式网络控制，每节车厢均部署LCU。其中A1、A2车司机室采用规格为6U机箱和3U机箱，B1、B2、C1、C2均采用规格为3U机箱。各个LCU机箱之间相互独立，实现各自逻辑控制，LCU通过MVB通信向整车控制网络上报控制数据和故障状态信息；上位机通过以太网连接车上任意LCU节点监视工作状态。整车网络通讯拓扑结构如图3所示。

2.2 取代继电器范围

深圳地铁9号线总体上LCU取代继电器的原则：可取代绝大部分通用继电器。除了列车上的永久性上电负载、电流过大负载以及其它电源制式、其他设备柜体内的继电器。

图3 整车通讯拓扑图

在深圳地铁9号线上，LCU取代继电器类型包括：中间继电器、时间继电器；从功能电路上，取代继电器范围：警惕、零速、方向控制、牵引制动指令、开关门、门保持、停放制动施加缓解、受电弓、ATO模式等。LCU共取代180个继电器，替换比例为61.2%。取代继电器范围如表格2所示。

表2 取代继电器方案表

在深圳地铁9号线上，部分电路中安全性要求高的继电器，目前设计是LCU和继电器双备份工作。后续，在进一步验证后再分析替换。

2.3 LCU技术特点

2.3.1利于维护

(1)方便调试

LCU支持在线调试。在深圳地铁9号线调试过程中，采用以下两种方法：①通过科维软件进行在线调试仿真，科维软件提供友好的可编程逻辑控制界面，方便调试人员对逻辑进行更改。②调试人员通过IO面板读取当前点位信息数据，方便查线。

(2)网络信息化

LCU系统通过MVB和以太网将各个LCU当前状态上报至TCMS网络，然后上传司机室HMI。此外，LCU具备故障自诊断功能，能够准确识别并定位自身故障。故障信息可以上报至司机室，方便维修人员进行检索。

同时LCU具备故障及日志数据存储功能，可以实时记录故障数据，输入输出状态变化数据及关键状态数据。所有的数据可以通过通讯端口进行下载维护。维修人员可以通过LCU专用的PTU维护软件下载日志数据，分析定位列车故障原因以及发生时间等(见图4)。

图4 PTU维护软件

(3)可操作性

LCU设备安装在电气柜内，柜体的维修操作面仅位于前面。机箱内部背板外的所有功能板卡都从前面板进行拆除，所有接线都是前出线方式，便于维修。

(4)防错性

机箱背板具备板卡防插错功能，防止插反或插错槽位。外部电源、通信、IO信号接口，都具备唯一标识，避免维修中因为插错而出现事故。各个模块具有防插错功能，大大提高LCU系统的防错性。

图5 深圳地铁7号线(继电器)和深圳 地铁9号线(LCU)装机对比图

(5)模块化设计

相对于传统继电器LCU走线更为简单，模块化的设计使得整车走线及布局得以优化，大大节省电气柜空间。

2.3.2可用性高

LCU系统采用热备冗余方案设计。正常运行过程中，两组板卡同时为上电工作状态。对于冗余的两组主控板和输入输出具备主用和备用两种状态。在实际的运行过程中，只有主用态的板卡承担实际的控制功能。冗余板卡功能板通过自检以及互检，准确识别并定位故障后，进行主备切换。所有的切换均具备单板切换功能，主备切换时间小于16 ms，单板切换对LCU负载如继电器、接触器、DI等无影响，切换过程中整车系统运行正常。

针对LCU的可用性，2016年4月底到5月初，深圳地铁公司基于深圳地铁9号线新车，展开LCU冗余系统故障态无缝切换的功能验证试验，见表3。

表3 LCU冗余系统无缝切换功能验证实验

LCU机箱内部板卡采用模块化设计，根据功能设计成独立的板卡，所有板卡结构尺寸满足3U标准。整车同种类型的功能板卡可以互换，无需额外进行配置。针对此项功能，LCU冗余系统板件互换验证试验，见4表。

表4 LCU冗余系统板件互换验证试验

2.3.3高可靠性

(1)LCU机箱背部采用8层PCB布线设计，整机无飞线，全部使用铁路专用连接器进行连接，具有高可靠、长寿命、EMC性能好等优势；

(2)IO板、电源板、主控板支持双板冗余，关键电路按高安全性设计，具备硬件自检和互检能力，实时监控系统硬件故障，支持热备自动切换；

(3)高性能的热备冗余切换机制，确保LCU在单点故障情况下，能够保持正常逻辑控制，维持系统正常运行。

(4)LCU采用无触点控制技术、摆脱通道开关的动作次数限制，大大增加系统的可靠性。

2.3.4高安全性

(1) 安全防护功能

LCU系统具备满足轨道行业要求的保护功能，包含：输出过流保护、短路保护、电源过欠压保护，电源过流、短路保护。

①输入采集模块具备抗干扰及电气隔离能力，可滤除不正常的干扰数据。

②输出通道具备短路保护及大电流保护功能，当负载短路或者电流过大时，输出保护，断开输出。同时，输出驱动电路进行电气隔离设计。

③电源模块具备过欠压保护功能。

(2) 安全策略

LCU系统在失效模式时，表现出高可靠性。LCU针对自身在单组电源板掉电以及单个输入通道失效，CAN总线失效，两组主控板卡均失效的情况下均有应对的安全策略，确保列车安全行驶。安全方案见表5。

表5 LCU系统的安全策略

3 结束语

LCU作为地铁车辆控制中的重要单元。目前LCU在深圳地铁9号线安全无故障运行近104h，运行里程达18万km。相对于传统继电器，LCU大大提高列车运行的可靠性和可用性，同时便于维护，方便快速定位故障。下一步的应用研究更加深入的方向是：LCU在整车无人驾驶中的关键技术。在未来，LCU将会得到越来越多的应用。